(57)【要約】【課題】低いビット率でも高音質を再生できる高域音声符号化装置及び復号化装置を提供する。【解決手段】高域音声符号化装置２０２は、高域音声信号にハーモニック成分があれば、ハーモニック構造とストキャスティック構造とを結合した構造で高域音声信号を符号化する第１符号化部３０８と、高域音声信号にハーモニック成分がなければ、ストキャスティック構造で高域音声信号を符号化する第２符号化部３０９とを備える。高域音声復号化装置は、受信した第１復元情報を利用して、ハーモニック構造とストキャスティック構造を結合した構造で高域音声信号を復元する第１復元ユニットと、受信した第２復元情報を利用して、ストキャスティック構造で高域音声信号を復元する第２復元ユニットと、受信したモード選択情報により、第１復元ユニットと第２復元ユニットのうちの一方から高域音声信号を出力するスイッチを備える。【選択図】図３
2006189836.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
広域音声符号化システムの高域音声符号化装置において、
高域音声信号が、ハーモニック成分のある信号であれば、ハーモニック構造とストキャスティック構造とを結合した構造で前記高域音声信号を符号化する第１符号化部と、
前記高域音声信号が、ハーモニック成分のない信号であれば、ストキャスティック構造で前記高域音声信号を符号化する第２符号化部と、を備えることを特徴とする高域音声符号化装置。
【請求項２】
前記第１符号化部は、
ＭＰ（Matching Pursuit）アルゴリズムにより、前記高域音声信号に対する正弦波辞書のサイズ及び位相を探索して励起信号を生成するハーモニック構造と、
前記ハーモニック構造により生成された励起信号を目的信号として、開ループストキャスティックコードブック探索と閉ループストキャスティックコードブック探索とを行うストキャスティック構造と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の高域音声符号化装置。
【請求項３】
前記高域音声信号は、認知加重されたゼロ状態の高域音声信号であることを特徴とする請求項２に記載の高域音声符号化装置。
【請求項４】
前記ハーモニック構造は、
前記認知加重されたゼロ状態の高域音声信号に対する理想的な線型予測係数励起信号を出力する第１認知加重された逆合成フィルタと、
前記理想的な線型予測係数励起信号を目的信号として、前記ＭＰアルゴリズムにより正弦波辞書のサイズ及び位相を探索する探索器と、
前記探索器で探索された正弦波辞書のサイズベクトルを量子化する第１量子化器と、
前記探索器で探索された正弦波辞書の位相ベクトルを量子化する第２量子化器と、
前記第１量子化器から出力される量子化された正弦波辞書のサイズベクトルと、前記第２量子化器から出力される量子化された正弦波辞書の位相ベクトルとを利用して合成した、励起信号を生成する合成された励起信号生成器と、
前記第１量子化器から出力される正弦波振幅正規化要素を量子化する第３量子化器と、
前記合成された音声励起信号生成器から出力される合成した音声励起信号に、前記第３量子化器から出力される量子化された正弦波振幅正規化要素を乗算する乗算器と、
前記乗算器から出力される信号と、インパルス応答とをコンボリューションして得られた合成された信号を出力する認知加重された合成フィルタと、
前記認知加重されたゼロ状態の高域音声信号と、前記認知加重された合成フィルタにより出力される前記合成された信号との残差信号を出力する減算器と、を備えることを特徴とする請求項３に記載の高域音声符号化装置。
【請求項５】
前記探索器は、前記認知加重されたゼロ状態の高域音声信号に対応する低域音声信号のピッチ値を利用して前記正弦波辞書の角周波数を求め、前記求められた角周波数を利用して前記正弦波辞書のサイズ及び位相を探索することを特徴とする請求項４に記載の高域音声符号化装置。
【請求項６】
前記第１量子化器は、
前記正弦波辞書のサイズベクトルを正規化し、前記正弦波振幅正規化要素を前記第３量子化器に提供する正規化器と、
前記正規化器で正規化された正弦波辞書のサイズベクトルに対し、ＭＤＣＴを行って得たＤＣＴ係数を出力するＭＤＣＴ器と、
前記ＭＤＣＴ器から出力されるＤＣＴ係数を量子化し、少なくとも１つのＤＣＴ係数候補を出力する係数ベクトル量子化器と、
前記係数ベクトル量子化器から出力される少なくとも１つのＤＣＴ係数候補に対し、逆ＭＤＣＴを行って量子化された正弦波振幅ベクトルを出力するＩＭＤＣＴ器と、
前記正規化器から出力される前記正規化された正弦波辞書のサイズベクトルと、前記ＩＭＤＣＴ器から出力される前記量子化された正弦波振幅ベクトルとの残差サイズベクトルを検出する減算器と、
前記減算器から出力される残差サイズベクトルを量子化する残差サイズ量子化器と、
前記残差サイズ量子化器から出力される量子化された残差サイズベクトルと、前記ＩＭＤＣＴから出力される量子化された正弦波振幅ベクトルとを加算する加算器と、
本来の正弦波辞書のサイズベクトルを利用して、前記加算器から出力される量子化された正弦波辞書のサイズベクトルのうち、何れか一つを、前記本来の正弦波辞書のサイズベクトルと最も近接したサイズベクトルとして、最適の正弦波辞書のサイズベクトルを選択する最適ベクトル選択部と、を備えることを特徴とする請求項４に記載の高域音声符号化装置。
【請求項７】
前記第１量子化器は、正弦波辞書のサイズのインデックスを、前記高域音声信号に対する復元情報として出力し、
前記第２量子化器は、正弦波辞書の位相のインデックスを、前記高域音声信号に対する復元情報として出力することを特徴とする請求項４に記載の高域音声符号化装置。
【請求項８】
前記ストキャスティック構造は、
前記減算器から出力される残差信号と、インパルス応答とをコンボリューションして、理想的な励起信号を生成する第２認知加重された逆合成フィルタと、
前記第２認知加重された逆合成フィルタから出力される前記理想的な励起信号を目的信号として、ストキャスティックコードブックで少なくとも１つのストキャスティックコードブック候補を選択する開ループストキャスティックコードブック探索器と、
前記減算器から出力される残差信号を利用して、前記少なくとも１つのストキャスティックコードブック候補のうち、何れか１つのストキャスティックコードブック候補を、ストキャスティックコードブックとして選択し、選択されたストキャスティックコードブックの利得値を前記第３量子化器に提供する閉ループストキャスティックコードブック探索器と、を備え、
前記第３量子化器は、前記正弦波振幅正規化要素と前記閉ループストキャスティックコードブック探索器から出力される利得値とを２次元的にベクトル量子化し、前記閉ループストキャスティックコードブック探索器から出力された利得値を量子化した値を、利得値インデックスとして出力し、
前記利得値インデックスは、前記高域音声信号に対する復元情報であることを特徴とする請求項４に記載の高域音声符号化装置。
【請求項９】
前記閉ループストキャスティックコードブック探索器は、
前記認知加重された合成フィルタのインパルス応答と、前記少なくとも１つのストキャスティックコードブック候補とをコンボリューションして音声レベル信号を生成し、
生成された音声レベル信号と前記減算器から出力される残差信号との間の利得値、前記音声レベル信号、及び前記残差信号を利用して前記少なくとも１つのストキャスティックコードブック候補に対する平均二乗エラーを求め、
前記求められた平均二乗エラーが最小となるストキャスティックコードブック候補をストキャスティックコードブックとして選択することを特徴とする請求項８に記載の高域音声符号化装置。
【請求項１０】
前記第２符号化部は、
前記高域音声信号に対する少なくとも１つのストキャスティックコードブック候補を選択する第１探索器と、
前記第１探索器で選択された少なくとも１つのストキャスティックコードブック候補に基づいて、最適のストキャスティックコードブック候補をストキャスティックコードブックとして選択し、前記選択された最適のストキャスティックコードブックのインデックスを生成する第２探索器と、を備え、
前記選択された最適のストキャスティックコードブックのインデックスは、前記高域音声信号を復元するための情報であることを特徴とする請求項１に記載の高域音声符号化装置。
【請求項１１】
前記高域音声信号は、認知加重されたゼロ状態の高域音声信号であることを特徴とする請求項１０に記載の高域音声符号化装置。
【請求項１２】
前記第２符号化部は、
前記認知加重されたゼロ状態の高域音声信号と、インパルス応答とをコンボリューションして、理想的な励起信号を生成し、前記生成された理想的な励起信号を前記第１探索器に提供する認知加重された逆合成フィルタと、
複数のストキャスティックコードブックを備え、前記第１探索器により選択された前記少なくとも１つのストキャスティックコードブック候補と、前記第２探索器により選択された前記最適のストキャスティックコードブック候補とを、ストキャスティックコードブックとして出力するストキャスティックコードブック部と、
前記ストキャスティックコードブック部から提供される少なくとも１つのストキャスティックコードブックに、前記第２探索器から提供される利得値を乗算する乗算器と、
前記乗算器から出力される信号と、インパルス応答とをコンボリューションして、合成された信号を出力する認知加重された合成フィルタと、
前記認知加重された合成フィルタから出力される合成信号と、前記認知加重されたゼロ状態の高域音声信号との差を出力する減算器と、
前記第２探索器から出力される利得値を量子化し、量子化された利得値を利得値インデックスに出力する利得値量子化器と、を更に備え、
前記利得値インデックスは、前記高域音声信号を復元する情報であることを特徴とする請求項１１に記載の高域音声符号化装置。
【請求項１３】
前記高域音声信号がハーモニック成分のある信号であるか否かを、サブフレーム単位で前記高域音声信号のシャープネスの比率、左右エネルギー比率、０交差率、及び１次予測係数に基づいて判断することを特徴とする請求項１に記載の高域音声符号化装置。
【請求項１４】
前記高域音声信号を、前記第１符号化部と前記第２符号化部のうち、何れか１つに伝送するスイッチと、
前記高域音声信号が、ハーモニック成分のある信号であるか否かを判断し、判断された結果に基づいて、前記スイッチの動作を制御するためのモード選択情報を出力するモード選択部と、を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の高域音声符号化装置。
【請求項１５】
前記モード選択部は、サブフレーム単位で前記高域音声信号のシャープネスの比率、左右エネルギー比率、０交差率、及び１次予測係数をそれぞれ検出し、
事前に設定された閾値と、前記検出されたシャープネスの比率、左右エネルギー比率、０交差率、及び１次予測係数とを比較し、
前記比較結果が事前に設定された条件を満足すれば、前記高域音声信号が、ハーモニック成分のある信号と判断し、
前記比較結果が前記事前に設定された条件を満足しなければ、前記高域音声信号がハーモニック成分のない信号と判断することを特徴とする請求項１４に記載の高域音声符号化装置。
【請求項１６】
前記モード選択部は、前記高域音声信号に対応する低域音声信号が、ハーモニック成分のある信号であるか否かを更に判断し、前記高域音声信号と前記低域音声信号とが何れもハーモニック成分のある信号であれば、前記高域音声信号が前記第１符号化部に伝送されるように前記スイッチの動作を制御することを特徴とする請求項１４に記載の高域音声符号化装置。
【請求項１７】
前記モード選択部は、前記高域音声信号と前記低域音声信号とのそれぞれに対し、サブフレーム単位でシャープネスの比率、左右エネルギー比率、０交差率、及び１次予測係数を検出し、
事前に設定された閾値と前記検出されたシャープネスの比率、左右エネルギー比率、０交差率、及び１次予測係数とを比較し、
前記高域音声信号と前記低域音声信号とに対する比較結果が、事前に設定された条件を満足すれば、前記高域音声信号と前記低域音声信号とが何れもハーモニック成分のある信号と判断し、
前記高域音声信号と前記低域音声信号とに対する比較結果が、前記事前に設定された条件のうち、少なくとも一つの条件を満足しなければ、前記高域音声信号が前記第２符号化部に伝送されるように前記モード選択情報を出力することを特徴とする請求項１６に記載の高域音声符号化装置。
【請求項１８】
前記高域音声信号は、認知加重されたゼロ状態の高域音声信号であることを特徴とする請求項１７に記載の高域音声符号化装置。
【請求項１９】
前記認知加重されたゼロ状態の高域音声信号を生成する生成部を更に備えることを特徴とする請求項１８に記載の高域音声符号化装置。
【請求項２０】
前記生成部は、
高域音声信号から線型予測係数を求める線型予測係数分析部と、
前記線型予測係数分析部から出力される線型予測係数を量子化する量子化部と、
前記量子化部から出力される、量子化された線型予測係数を利用して０入力応答信号を出力する認知加重された合成フィルタと、
前記線型予測係数分析部で求められた前記線型予測係数を利用して、前記高域音声信号に対する認知加重された音声信号を出力する認知加重フィルタと、
前記認知加重フィルタから出力される認知加重された音声信号から前記０入力応答信号を除去して、前記認知加重されたゼロ状態の高域音声信号を出力する減算器と、を備えることを特徴とする請求項１９に記載の高域音声符号化装置。
【請求項２１】
前記認知加重されたゼロ状態の高域音声信号を生成する生成部を更に備えることを特徴とする請求項２に記載の高域音声符号化装置。
【請求項２２】
入力される音声信号を高域音声信号と低域音声信号とに分割する帯域分割部と、
前記帯域分割部から伝送される低域音声信号を符号化し、前記符号化により検出された低域音声信号のピッチ値を出力する低域音声符号化装置と、
前記帯域分割部から伝送される高域音声信号及び低域音声信号と、前記低域音声信号符号化装置から出力されるピッチ値を利用して、前記帯域分割部から伝送される高域音声信号を符号化する高域音声符号化装置と、を備えることを特徴とする広域音声符号化システム。
【請求項２３】
前記高域音声符号化装置は、
前記高域音声信号と前記低域音声信号とにハーモニック成分があれば、ハーモニック構造とストキャスティック構造とを結合した構造で前記高域音声信号を符号化し、
前記高域音声信号と前記低域音声信号のうち、何れか１つの信号にハーモニック成分がなければ、ストキャスティック構造で前記高域音声信号を符号化することを特徴とする請求項２２に記載の広域音声符号化システム。
【請求項２４】
受信された第１復元情報を利用して、ハーモニック構造とストキャスティック構造とを結合した構造で高域音声信号を復元する第１復元ユニットと、
受信された第２復元情報を利用して、ストキャスティック構造で高域音声信号を復元する第２復元ユニットと、
受信されたモード選択情報により、前記第１復元ユニットと前記第２復元ユニットのうち、何れか１つから出力される復元された高域音声信号を出力するスイッチと、を備えることを特徴とする高域音声復号化装置。
【請求項２５】
前記第１復元情報は、利得値インデックス、正弦波辞書のサイズのインデックス、正弦波辞書の位相のインデックス、及びストキャスティックコードブックのインデックスを備え、
前記第２復元情報は、ストキャスティックコードブックのインデックス及び利得値インデックスを備えることを特徴とする請求項２４に記載の高域音声復号化装置。
【請求項２６】
受信された線型予測係数インデックスを逆量子化して、量子化された線型予測係数を得て、前記量子化された線型予測係数を、前記第１復元ユニットと前記第２復元ユニットとにそれぞれ伝送する線型予測係数逆量子化部を更に備えることを特徴とする請求項２５に記載の高域音声復号化装置。
【請求項２７】
受信された線型予測係数インデックスを逆量子化して、量子化された線型予測係数を得て、前記量子化された線型予測係数を、前記第１復元ユニットと前記第２復元ユニットとにそれぞれ伝送する線型予測係数逆量子化部を更に備えることを特徴とする請求項２４に記載の高域音声復号化装置。
【請求項２８】
前記第１復元ユニットは、
前記利得値インデックスを逆量子化して、量子化された利得値を出力する利得値逆量子化部と、
前記正弦波辞書のサイズのインデックスを復号して、量子化された正弦波辞書のサイズベクトルを出力する正弦波振幅復号化部と、
前記正弦波辞書の位相のインデックスを復号化して、量子化された正弦波辞書の位相ベクトルを出力する正弦波位相復号化部と、
前記ストキャスティックコードブックのインデックスにより対応するストキャスティックコードブックを出力するストキャスティックコードブック部と、
前記量子化された利得値と前記量子化された正弦波辞書のサイズベクトルとを乗算する第１乗算器と、
前記量子化された利得値と前記ストキャスティックコードブックとを乗算して、励起信号を生成する第２乗算器と、
前記第１乗算器から出力される信号と、前記量子化された正弦波辞書の位相ベクトルとを利用して、ハーモニック信号を復元するハーモニック信号復元部と、
前記ハーモニック信号復元部から出力されるハーモニック信号と前記第２乗算器から出力される励起信号とを加算する加算器と、
前記線型予測係数を利用して、前記加算器から出力される信号を合成フィルタリングして、前記復元された高域音声信号を出力する合成フィルタと、を備えることを特徴とする請求項２５に記載の高域音声復号化装置。
【請求項２９】
前記第２復元ユニットは、
前記ストキャスティックコードブックのインデックスが入力された場合に、対応するストキャスティックコードブックを出力するストキャスティックコードブック部と、
前記利得値インデックスが入力された場合に、入力される前記利得値インデックスを逆量子化して、量子化された利得値を出力する利得値逆量子化部と、
前記ストキャスティックコードブックと前記量子化された利得値とを乗算して、励起信号を生成する乗算器と、
前記線型予測係数を利用して、前記乗算器から出力される信号を合成フィルタリングする合成フィルタと、を更に備えることを特徴とする請求項２５に記載の高域音声復号化装置。
【請求項３０】
ハーモニック構造とストキャスティック構造とを結合した構造と、ストキャスティック構造のうち、いずれか１つの構造を利用して、チャンネルを介して受信される復元情報から高域音声信号を復元する高域音声復号化装置と、
前記チャンネルを介して受信される復元情報から低域音声信号を復元する低域音声復号化装置と、
前記復元された高域音声信号と前記復元された低域音声信号とを結合して、復元された音声信号を出力する帯域結合部と、を備えることを特徴とする広域音声復号化システム。
【請求項３１】
広域音声符号化システムにおける高域音声の符号化方法において、
高域音声信号及び対応する低域音声信号にハーモニック成分があるか否かを判断するステップと、
前記高域音声信号と前記対応する低域音声信号とにいずれもハーモニック成分があれば、ハーモニック構造とストキャスティック構造とを結合した構造で前記高域音声信号を符号化する符号化ステップと、
前記高域音声信号と前記対応する低域音声信号のうち、いずれか１つの信号にハーモニック成分がなければ、ストキャスティック構造で前記高域音声信号を符号化する符号化ステップと、を含むことを特徴とする高域音声の符号化方法。
【請求項３２】
前記ハーモニック成分があるか否かを判断するステップは、
前記高域音声信号と前記低域音声信号とのそれぞれに対し、サブフレーム単位で特性値を検出するステップと、
前記検出された特性値と事前に設定された閾値とを比較するステップと、
前記比較結果が所定の条件を満足すれば、該当する音声信号にハーモニック成分があると判断するステップと、
前記比較結果が所定の条件を満足しなければ、該当する音声信号にハーモニック成分がないと判断するステップと、を含むことを特徴とする請求項３１に記載の高域音声の符号化方法。
【請求項３３】
前記特性値は、シャープネスの比率、左右エネルギー比率、０交差率、及び１次予測係数を含み、
前記事前に設定された閾値は、各特性値に対する閾値を含むことを特徴とする請求項３２に記載の高域音声の符号化方法。
【請求項３４】
前記高域音声信号は、認知加重されたゼロ状態の高域音声信号であることを特徴とする請求項３３に記載の高域音声の符号化方法。
【請求項３５】
前記高域音声信号は、認知加重されたゼロ状態の高域音声信号であることを特徴とする請求項３１に記載の高域音声の符号化方法。
【請求項３６】
前記ハーモニック構造は、ＭＰアルゴリズムにより、前記高域音声信号に対する正弦波辞書のサイズ及び位相を探索して励起信号を生成することを特徴とする請求項３１に記載の高域音声の符号化方法。
【請求項３７】
広域音声復号化システムにおける高域音声の復号化方法において、
受信された復元情報に含まれているモード選択情報を分析するステップと、
前記モード選択情報が、ハーモニック構造とストキャスティック構造とを結合したモードを表す場合に、ハーモニック構造とストキャスティック構造とを結合した構造を利用して、前記受信された復元情報に基づいて高域音声信号を復元するステップと、
前記モード選択情報がストキャスティック構造を表す場合に、ストキャスティック構造を利用して、前記受信された復元情報に基づいて高域音声信号を復元するステップと、を含むことを特徴とする高域音声の復号化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音声符号化及び音声復号化に係り、特に、帯域幅の拡張機能を有する広域音声符号化及び復号化における高域音声符号化及び復号化装置並びにその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
音声通信の応用分野が多様化され、ネットワークの伝送速度が向上することにより、高品質の音声通信に対する必要性が浮び上がっている。これにより、既存の音声通信帯域である０.３〜３.４ｋＨｚに比べて、自然性及び明瞭度などの多様な側面で優れた性能である０.３〜７ｋＨｚの帯域幅を有する広域音声信号の伝達が要求されている。
【０００３】
また、ネットワークの側面でデータをパケット単位で伝送するパケットスイッチングネットワークは、チャンネル渋滞をもたらし、これによるパケットの損失及び音質の低下が発生しうる。これを解決するために、損傷したパケットを隠す技術が使用されているが、これは、根本的な処方ではない。
【０００４】
したがって、前記広域音声信号を効果的に圧縮しつつチャンネル渋滞現象を解決できる広域音声符号化及び復号化技術が提案されている。
【０００５】
現在、提案されている広域音声符号化及び復号化は、０.３〜７ｋＨの周波数帯域を有する音声信号を一度に圧縮し、これを復元する方式と、０.３〜７ｋＨの周波数帯域を有する音声信号を０.３〜４ｋＨｚ帯域と４〜７ｋＨｚ帯域とに分けて階層的に圧縮し、これを復元する方式とに区分できる。後者の場合は、チャンネル渋滞現象の程度により階層別に伝達するデータ量を調節して、与えられたチャンネル環境で最適の通信を可能にする域幅拡張機能を利用した広域音声符号化及び復号化方式である。
【０００６】
前記帯域幅拡張機能を利用した広域音声符号化で、４〜７ｋＨｚの周波数範囲を有する高域音声信号は、ＭＬＴ（Modulated Lapped Transform：以下、ＭＬＴという）方式により符号化される。ＭＬＴ方式を利用する高域音声符号化装置は、図１に示す高域音声符号化装置１００と同じである。
【０００７】
図１に示すように、前記高域音声符号化装置１００は、高域音声信号を受信し、高域音声信号をＭＬＴしてＭＬＴ係数を抽出するＭＬＴユニット１０１を備える。抽出されたＭＬＴ係数のサイズは、２Ｄ−ＤＣＴ（２Dimension-Discrete Cosine Transform）モジュール１０２に出力し、抽出されたＭＬＴ係数の符号は、符号量子化器１０３に出力する。
【０００８】
２Ｄ−ＤＣＴモジュール１０２は、入力されたＭＬＴ係数のサイズから２Ｄ−ＤＣＴ係数を抽出し、抽出された２Ｄ−ＤＣＴ係数をＤＣＴ係数量子化器１０４に出力する。ＤＣＴ係数量子化器１０４は、２Ｄ−ＤＣＴ係数をサイズの大きい順からサイズの小さい順に配列し、配列された２Ｄ−ＤＣＴ係数を量子化した後、そのコードブックインデックスを出力する。符号量子化器１０３は、サイズの大きいＭＬＴ係数の符号を量子化する。
【０００９】
出力されたコードブックインデックス及び量子化された符号は、高域音声復号化装置１１０に提供され、高域音声復号化装置１１０は、高域音声符号化装置１００と逆過程により高域音声信号を復元し、復元された高域音声信号を出力する。
【００１０】
しかし、前記ＭＬＴ方式により高域音声信号を符号化することは、低いビット率で音声信号を伝送する時に高音質の復元が難しく、ビット率が低くなるほど、音質復元性能の低下が目立つ。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、帯域幅拡張機能を有する広域音声符号化及び復号化において、低いビット率でも高音質を再生できる高域音声符号化及び復号化装置と、その方法とを提供することを目的とする。
【００１２】
また、本発明は、帯域幅拡張機能を有する広域音声符号化及び復号化において、高域音声信号が、ハーモニック成分のある信号であるか否かにより動作される高域音声符号化及び復号化装置と、その方法とを提供することを他の目的とする。
【００１３】
さらに、本発明は、帯域幅拡張機能を有する広域音声符号化及び復号化において、周波数の解像度及び複雑度に依存せずに、正確なハーモニックサイズ及び位相が得られる高域音声符号化及び復号化装置と、その方法とを提供することを他の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記した目的を達成するために、本発明の高域音声符号化装置は、高域音声信号が、ハーモニック成分のある信号であれば、ハーモニック構造とストキャスティック構造とを結合した構造で前記高域音声信号を符号化する第１符号化部と、前記高域音声信号が、ハーモニック成分のない信号であれば、ストキャスティック構造で前記高域音声信号を符号化する第２符号化部とを備えることを特徴とする。
【００１５】
また、前記した目的を達成するために、本発明の広域音声符号化システムは、音声信号が入力されれば、前記音声信号を高域音声信号と低域音声信号とに分割する帯域分割部と、前記帯域分割部から伝送される低域音声信号を符号化し、前記符号化により検出された低域音声信号のピッチ値を出力する低域音声符号化装置と、前記帯域分割部から伝送される高域音声信号、低域音声信号及び前記低域音声信号のピッチ値を利用して、前記高域音声信号を符号化する高域音声符号化装置とを備えることを特徴とする。
【００１６】
また、前記した目的を達成するために、本発明の高域音声復号化装置は、受信された第１復元情報を利用して、ハーモニック構造とストキャスティック構造とを結合した構造で高域音声信号を復元する第１復元ユニットと、受信された第２復元情報を利用して、ストキャスティック構造で高域音声信号を復元する第２復元ユニットと、受信されたモード選択情報により、前記第１復元ユニットと前記第２復元ユニットのうち、何れか一つから出力される復元された高域音声信号を出力するスイッチとを備えることを特徴とする。
【００１７】
また、前記した目的を達成するために、本発明の広域音声復号化システムは、ハーモニック構造とストキャスティック構造とを結合した構造と、ストキャスティック構造のうち、何れか一つの構造を利用して、チャンネルを介して受信される復元情報から高域音声信号を復元する高域音声復号化装置と、前記チャンネルを介して受信される復元情報から低域音声信号を復元する低域音声復号化装置と、前記復元された高域音声信号と前記復元された低域音声信号とを結合して、復元された音声信号を出力する帯域結合部とを備えることを特徴とする。
【００１８】
また、前記した目的を達成するために、本発明の高域音声の符号化方法は、高域音声信号及び対応する低域音声信号にハーモニック成分があるか否かを判断するステップと、前記高域音声信号と前記対応する低域音声信号とに何れもハーモニック成分があれば、ハーモニック構造とストキャスティック構造とを結合した構造で前記高域音声信号を符号化する符号化ステップと、前記高域音声信号と前記対応する低域音声信号のうち、何れか一つの信号にハーモニック成分がなければ、ストキャスティック構造で前記高域音声信号を符号化する符号化ステップとを含むことを特徴とする。
【００１９】
また、前記した目的を達成するために、本発明の高域音声の復号化方法は、受信された復元情報に含まれているモード選択情報を分析するステップと、前記モード選択情報が、ハーモニック構造とストキャスティック構造とを結合したモードを表せば、ハーモニック構造とストキャスティック構造とを結合した構造で受信された復元情報から高域音声信号を復元するステップと、前記モード選択情報がストキャスティック構造を表せば、ストキャスティック構造で受信された復元情報から高域音声信号を復元するステップとを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、帯域幅拡張機能を有する広域音声符号化及び復号化システムで高域音声符号化及び復号化時に、高域音声信号及び低域音声信号にハーモニック成分があれば、ハーモニック構造とストキャスティック構造とを結合した構造で高域音声信号を符号化及び復号化し、ハーモニック構造は、ＭＰ（Matching Pursuit）アルゴリズムを使用して正弦波辞書（dictionary）のサイズ及び位相を探索することにより、少ないビット率及び低い複雑度で高音質を再生できる。これにより、低伝送率の狭域の符号化及び復号化装置を具現できる。
【００２１】
また、ＭＰ正弦波辞書を利用したハーモニック構造で符号化することにより、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）を利用したハーモニック構造で符号化することに比べて、周波数解像度に敏感ではない広域音声符号化及び復号化システムを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態に係る高域音声符号化及び復号化装置並びにその方法を説明する。
【００２３】
図２は、本発明の好ましい実施形態に係る高域音声符号化装置２０２及び高域音声復号化装置２２１を有する広域音声符号化及び復号化システムの全体構成図である。
図２に示すように、広域音声符号化及び復号化システムは、音声符号化装置（広域音声符号化システム）２００、チャンネル２１０、及び音声復号化装置（広域音声復号化システム）２２０を備える。図２に示す広域音声符号化及び復号化システムは、帯域幅拡張機能を有する。したがって、図２に示す音声符号化装置２００は、帯域分割部２０１、高域音声符号化装置２０２、及び低域音声符号化装置２０３を備える。
【００２４】
帯域分割部２０１は、入力される音声信号を高域音声信号と低域音声信号とに分割する。前記入力される音声信号は、１６ビット線型パルスコード変調形式を有しうる。この帯域分割部２０１は、分割した音声信号のうち、高域音声信号を高域音声符号化装置２０２に出力すると共に、低域音声信号を高域音声符号化装置２０２と低域音声符号化装置２０３とにそれぞれ出力する。
【００２５】
高域音声符号化装置２０２は、入力される高域音声信号を符号化する。このために、高域音声符号化装置２０２は、図３に示すように構成されうる。
【００２６】
図３に示すように、高域音声符号化装置２０２は、ゼロ状態の高域音声信号生成部３００、モード選択部３０６、スイッチ３０７、第１符号化部３０８、及び第２符号化部３０９を備える。
【００２７】
ゼロ状態の高域音声信号生成部３００は、入力される高域音声信号をゼロ状態の高域音声信号に生成する。このために、ゼロ状態の高域音声信号生成部３００は、６次ＬＰＣ（Linear Prediction Coefficient：線型予測係数）分析部３０１、ＬＰＣ量子化部３０２、認知加重された合成フィルタ３０３、認知加重フィルタ３０４、及び減算器３０５を備える。
【００２８】
６次ＬＰＣ分析部３０１は、高域音声信号が入力された場合に、自己相関方式とレビンソン・ダービン・アルゴリズム（Levison-Durbin Algorithm）とを使用して、６個のＬＰＣを求める。求められた６個のＬＰＣは、ＬＰＣ量子化部３０２に伝送される。
【００２９】
ＬＰＣ量子化部３０２は、入力された６個のＬＰＣをＬＳＰ（Line Spectral Pair）ベクトルに変換し、変換されたＬＳＰベクトルを多段階のベクトル量子化器を利用して量子化する。量子化されたＬＳＰベクトルは、再びＬＰＣに変換されて、認知加重された合成フィルタ３０３に出力される。この時、量子化されたＬＳＰベクトルは、ＬＰＣインデックスとしてチャンネル２１０に出力される。
【００３０】
認知加重された合成フィルタ３０３は、ＬＰＣ量子化部３０２から入力されたＬＰＣインデックスを利用して、 “０”入力（ゼロ状態を示す入力）に対する応答信号を出力する。出力された応答信号（０入力応答信号）は、減算器３０５に伝送される。
【００３１】
認知加重フィルタ３０４は、６次ＬＰＣ分析部３０１から提供される６個のＬＰＣを利用して、入力された高域音声信号に対する認知加重された音声信号（知覚可能に重み付けられた音声信号）を出力する。この認知加重フィルタ３０４は、心理的な聴覚を評価するためのマスキング効果を利用して、量子化ノイズをマスキングレベル以下にする役割を担う。この認知加重された音声信号は、減算器３０５に伝送される。
【００３２】
減算器３０５は、認知加重フィルタ３０４で認知加重された音声信号から、認知加重された合成フィルタ３０３の出力する０入力応答信号を除去した信号を出力する。したがって、減算器３０５から出力される認知加重された音声信号は、ゼロ状態の高域音声信号である。この減算器３０５から出力される認知加重されたゼロ状態の高域音声信号は、モード選択部３０６とスイッチ３０７とに伝送される。
【００３３】
モード選択部３０６は、減算器３０５から伝送される認知加重されたゼロ状態の高域音声信号と、帯域分割部２０１（図２参照）から伝送される低域音声信号とを利用して、入力される高域音声信号がハーモニック成分のある信号であるか否かを判断して、判断結果によるモード選択情報を出力する。
【００３４】
すなわち、モード選択部３０６は、減算器３０５から伝送される認知加重されたゼロ状態の高域音声信号と、帯域分割部２０１から伝送される低域音声信号とに対して、それぞれ所定の特性値を求める。前記所定の特性値は、後記するシャープネス（鮮明さ）の比率、信号の左右エネルギー比率、０交差率、及び１次予測係数を含みうる。
【００３５】
モード選択部３０６は、減算器３０５から受信した認知加重されたゼロ状態の高域音声信号をｓ（ｎ）で表したときに、このｓ（ｎ）に対するシャープネスの比率Ｓrを式（１）により求める。
【００３６】
【数１】
2006189836.tif 000003
【００３７】
式（１）において、Ｌsfは、サブフレームの長さである。サブフレームの長さは、サンプル数で表現されうる。サブフレームは、１つのフレームの一部であり、１つのフレームは、２個のサブフレームに分割される。
【００３８】
続いて、モード選択部３０６は、前記した減算器３０５から受信した信号ｓ（ｎ）に対する左右エネルギー比率Ｅrを式（２）により求める。
【００３９】
【数２】
2006189836.tif 000004
【００４０】
続いて、モード選択部３０６は、サブフレーム当りの信号ｓ（ｎ）の符号が変わる程度を表す０交差率Ｚrを式（３）に基づいて求める。
【００４１】
【数３】
2006189836.tif 000005
【００４２】
式（３）から分かるように、１つのサブフレームに対し、Ｚrの初期値は０である。この０交差率は、サブフレーム単位で検出されるため、計算範囲ｉは、Ｌsf−１から１までである。減算器３０５から出力されるｉ番目の出力信号ｓ（ｉ）と、（ｉ−１）番目の出力信号ｓ（ｉ−１）とを乗算した値が０より小さければ、０交差が発生したことであるため、Ｚr値を１増加させる。サブフレーム単位の計算範囲のすべての計算の実行の結果、最終検出されたＺr値をこのサブフレームの長さＬsfで割れば、該当するサブフレームでの高域音声信号の０交差率Ｚrを得る。
【００４３】
続いて、モード選択部３０６は、前記信号ｓ（ｎ）に対する１次予測係数Ｃrを、式（４）に基づいて求める。
【００４４】
【数４】
2006189836.tif 000006
【００４５】
前記１次予測係数Ｃrは、隣接したサンプル間の相関関係が大きいほど、大きい値が得られ、隣接したサンプル間の相関関係が小さいほど、小さな値が得られる。
【００４６】
続いて、モード選択部３０６は、式（５）のように、サブフレーム単位で検出された各特性値と、事前に設定された各特性値に対する閾値ＴS、ＴE、ＴZ、ＴCとを比較する。
【００４７】
【数５】
2006189836.tif 000007
【００４８】
式（５）に定義された条件を満足すれば、モード選択部３０６は、入力された高域音声信号がハーモニック成分を含むと判断する。
【００４９】
モード選択部３０６は、入力される低域音声信号に対しても、式（１）ないし式（４）に定義されたように、サブフレーム単位の４つの特性値を得る。
【００５０】
モード選択部３０６は、前記した式（５）に定義されたように、事前に設定された低域音声信号に対する各特性値に対する閾値と、前記した式（１）ないし式（４）により得た入力される低域音声信号に対する特性値とを比較して、前記した式（５）に定義された条件を満足するか否かを判断する。前記した式（５）に定義された条件を満足すれば、モード選択部３０６は、入力された低域音声信号がハーモニック成分を含むと判断する。
【００５１】
しかし、前記した式（５）に定義された条件を満足しなければ、モード選択部３０６は、入力される低域音声信号がハーモニック成分を含まないと判断する。
【００５２】
モード選択部３０６は、高域音声信号と低域音声信号とが何れもハーモニック成分を含むと判断した場合に、スイッチ３０７が、減算器３０５から出力される認知加重されたゼロ状態の高域音声信号を第１符号化部３０８に伝送するように制御するモード選択情報を出力する。それ以外の場合には、スイッチ３０７が、減算器３０５から出力される認知加重されたゼロ状態の高域音声信号を第２符号化部３０９に伝送するように制御するモード選択情報を出力する。各モード選択情報は、チャンネル２１０にも伝送される。
【００５３】
第１符号化部３０８は、サブフレーム単位でハーモニック構造とストキャスティック構造とを混合して、ゼロ状態の高域音声信号に励起信号を合成するものである。したがって、第１符号化部３０８は、励起信号合成部として定義されうる。
【００５４】
第１符号化部３０８は、図４に示すように、第１認知加重された逆合成フィルタ４０１、正弦波辞書のサイズ及び位相探索器４０２、正弦波振幅量子化器４０３、正弦波位相量子化器４０４、合成音声信号生成器４０５、乗算器４０６、認知加重された合成フィルタ４０７、減算器４０８、利得値量子化器４０９、第２認知加重された逆合成フィルタ４１０、開ループストキャスティックコードブック探索器４１１、及び閉ループストキャスティックコードブック探索器４１２を備える。
【００５５】
前記ハーモニック構造は、第１認知加重された逆合成フィルタ４０１、正弦波辞書のサイズ及び位相探索器４０２、正弦波振幅量子化器４０３、正弦波位相量子化器４０４、合成音声信号生成器４０５、乗算器４０６、認知加重された合成フィルタ４０７、及び減算器４０８を備え、前記ストキャスティック構造は、第２認知加重された逆合成フィルタ４１０、開ループストキャスティックコードブック探索器４１１及び閉ループストキャスティックコードブック探索器４１２を備えるように定義できる。
【００５６】
第１認知加重された逆合成フィルタ４０１は、認知加重されたゼロ状態の高域音声信号が入力された場合に、式（６）により理想的なＬＰＣ励起信号ｒhを得るものである。
【００５７】
【数６】
2006189836.tif 000008
【００５８】
式（６）において、ｘ（ｉ）は、認知加重されたゼロ状態の高域音声信号であり、ｈ’（ｎ−ｉ）は、第１認知加重された逆合成フィルタ４０１のインパルス応答である。第１認知加重された逆合成フィルタ４０１は、前記ｘ（ｉ）と、ｈ’（ｎ−ｉ）とをコンボリューションして（comvolute：巻き込んで）、理想的なＬＰＣ励起信号ｒhを得る。
【００５９】
理想的なＬＰＣ励起信号ｒhは、正弦波辞書のサイズ及び位相を探すための目的信号であって、正弦波辞書のサイズ及び位相探索器４０２に伝送される。
【００６０】
正弦波辞書のサイズ及び位相探索器４０２は、ＭＰアルゴリズムを使用して正弦波辞書のサイズ及び位相を探索する。正弦波辞書を利用したハーモニック励起信号ｅMPは、式（７）のように定義できる。
【００６１】
【数７】
2006189836.tif 000009
【００６２】
式（７）において、Ａkは、ｋ番目の正弦波のサイズ（振幅）、ωkは、ｋ番目の正弦波の角周波数、φkは、ｋ番目の正弦波の位相、Ｋは、正弦波辞書の個数を表す。
【００６３】
正弦波辞書のサイズ及び位相探索器４０２は、ＭＰアルゴリズムによる正弦波辞書のサイズ及び位相探索の以前に、正弦波辞書の角周波数ωkを、低域音声符号化装置２０３から提供される低域音声信号のピッチ値ｔpを利用して求める。すなわち、式（８）のように角周波数ωkを求める。
【００６４】
【数８】
2006189836.tif 000010
【００６５】
正弦波辞書のサイズ及び位相探索器４０２は、ＭＰアルゴリズムにより、ｋ番目の辞書から、ｋ番目の目的信号を反映するサイズ成分（振幅成分）を抽出する過程と、抽出されたサイズ成分（振幅成分）をｋ番目の目的信号に適用することによって新たな（ｋ＋１）番目の目的信号を創出する過程とを反復的に行いつつ、正弦波辞書のサイズ及び位相を探索する。このようなＭＰアルゴリズムを利用した正弦波辞書のサイズ及び位相探索は、式（９）のように定義できる。
【００６６】
【数９】
2006189836.tif 000011
【００６７】
式（９）において、ｒh,kは、ｋ番目の目的信号であり、Ｅkは、ｒh,kとｋ番目の正弦波辞書との平均二乗エラーにハミングウィンドウ（Hamming Window）ｗhamを取った値である。ｋ＝０であれば、ｋ番目の目的信号ｒh,kは、理想的なＬＰＣ励起信号ｒhと同じである。Ｅkが最小となるＡkとφkとは、式（１０）のように定義できる。
【００６８】
【数１０】
2006189836.tif 000012
【００６９】
Ｋ個の正弦波辞書のサイズ及び位相が探索された後、正弦波辞書のサイズベクトルは、正弦波振幅量子化器４０３に出力され、正弦波辞書の位相ベクトルは、正弦波位相量子化器４０４に出力される。
【００７０】
正弦波振幅量子化器４０３は、図５に示すように構成される。図５に示すように、正弦波振幅量子化器４０３は、正弦波振幅正規化器５０１、ＭＤＣＴ（Modulated Discrete Cosine Transform）器５０２、係数ベクトル量子化器５０３、ＩＭＤＣＴ（Inverse Modified Discrete Cosine Transform）器５０４、減算器５０５、残差サイズ量子化器５０６、加算器５０７、及び最適ベクトル選択部５０８を備える。
【００７１】
正弦波振幅正規化器５０１は、正弦波辞書のサイズ及び位相探索器４０２から提供される正弦波振幅を式（１１）のように正規化する。
【００７２】
【数１１】
2006189836.tif 000013
【００７３】
式（１１）において、Ａk’は、正規化されたｋ番目の正弦波振幅を表し、正弦波振幅正規化要素は、式（１１）の右辺の分母に該当する。この正弦波振幅正規化要素は、スカラー値であって、利得値量子化器４０９に提供される。前記正規化されたｋ番目の正弦波振幅Ａk’は、ベクトル値であって、ＭＤＣＴ器５０２と減算器５０５とに出力される。
【００７４】
ＭＤＣＴ器５０２は、前記正規化された正弦波振幅Ａk’に対し、式（１２）のようにＭＤＣＴを行う。
【００７５】
【数１２】
2006189836.tif 000014
【００７６】
式（１２）において、Ｃkは、正規化されたｋ番目の正弦波振幅Ａk’に対するｋ番目のＤＣＴ係数ベクトルであり、Ａn’は、前記正規化されたｋ番目の正弦波振幅Ａk’である。Ｃkは、係数ベクトル量子化器５０３に出力される。
係数ベクトル量子化器５０３は、スプリットベクトル量子化方式により前記ＤＣＴ係数を量子化し、最適のＤＣＴ係数ベクトル候補を選択する。４つのＤＣＴ係数ベクトルが、最適のＤＣＴ係数ベクトル候補として選択されうる。
【００７７】
選択されたＤＣＴ係数ベクトル候補は、ＩＭＤＣＴ器５０４に出力される。ＩＭＤＣＴ器５０４は、選択されたＤＣＴ係数ベクトル候補を式（１３）に代入し、量子化された正弦波振幅ベクトルを得る。
【００７８】
【数１３】
2006189836.tif 000015
【００７９】
式（１３）において、ＡＥkは、量子化されたＤＣＴ係数ベクトル候補Ｃn”をＩＭＤＣＴしたベクトルであって、量子化された正弦波振幅ベクトルである。この量子化された正弦波振幅ベクトルは、減算器５０５に出力される。
【００８０】
減算器５０５は、正弦波振幅正規化器５０１から伝送された正規化された正弦波振幅ベクトルＡk’と、量子化された正弦波振幅ベクトルＡＥkとの差をエラーベクトルとして求め、前記エラーベクトルを残差サイズ量子化器５０６に伝送する。
【００８１】
残差サイズ量子化器５０６は、入力されたエラーベクトルを量子化し、量子化されたエラーベクトルを加算器５０７に出力する。
加算器５０７は、残差サイズ量子化器５０６から伝送された量子化されたエラーベクトルと、それに該当するＩＭＤＣＴ過程を経た正弦波振幅ベクトルＡＥkとを加算して、量子化された正弦波辞書のサイズベクトルを最終的に求める。
【００８２】
最適ベクトル選択部５０８は、加算器５０７からＭＤＣＴ器５０２で検出されたＤＣＴ係数ベクトル候補に対する量子化された正弦波辞書のサイズベクトルが受信された場合に、受信された量子化された正弦波辞書のサイズベクトルのうち、本来（original）の正弦波辞書のサイズベクトルに最も近接した量子化された正弦波辞書のサイズベクトルを選択して出力する。出力された量子化された正弦波辞書のサイズベクトルは、合成音声信号生成器４０５に伝送され、量子化された正弦波辞書のサイズのインデックス（サイズインデックス）としてチャンネル２１０に伝送される。
【００８３】
図４に示すように、正弦波位相量子化器４０４は、正弦波辞書のサイズ及び位相探索器４０２で探索された位相ベクトルが入力された場合に、多段階ベクトル量子化方式で前記入力された位相ベクトルを量子化する。この場合、正弦波位相量子化器４０４は、全ての伝送すべき位相情報のうち、比較的に低い周波数の位相が重要であるという点を鑑みて、全体の位相情報のうち、半分の位相情報のみを量子化して伝送する。残りの半分の位相情報については、ランダムに位相情報を作って使用できる。正弦波位相量子化器４０４から出力される量子化された位相ベクトルは、合成音声信号生成器４０５とチャンネル２１０とにそれぞれ出力される。前記量子化された位相ベクトルは、正弦波辞書の位相のインデックス（位相インデックス）である。
【００８４】
合成音声信号生成器４０５は、正弦波振幅量子化器４０３から提供される量子化された正弦波辞書のサイズベクトルと、正弦波位相量子化器４０４から提供される量子化された正弦波辞書の位相ベクトルとを利用して、合成した音声励起信号（または、合成した励起音声信号）を得る。すなわち、前記量子化された正弦波辞書のサイズベクトルがＡ”であり、前記量子化された位相ベクトルがφ”であれば、合成音声信号生成器４０５は、合成した音声励起信号ｒh”を式（１４）のように求めうる。
【００８５】
【数１４】
2006189836.tif 000016
【００８６】
合成した音声励起信号ｒh”は、乗算器４０６に出力される。乗算器４０６は、利得値量子化器４０９から出力される量子化された正弦波振幅正規化要素と、前記合成音声信号生成器４０５から出力される合成した音声励起信号ｒh”とを乗算し、その乗算結果を、認知加重された合成フィルタ４０７に出力する。
【００８７】
認知加重された合成フィルタ４０７は、量子化された正弦波振幅正規化要素と前記合成した音声励起信号ｒh”が乗算されたハーモニック構造の励起信号と、認知加重された合成フィルタ４０７のインパルス応答ｈ（ｎ）とを、式（１５）のようにコンボリューションして、ハーモニック構造で合成された信号Ｓh”を出力する。
【００８８】
【数１５】
2006189836.tif 000017
【００８９】
式（１５）において、ｇh”は、利得値量子化器４０９から出力される量子化された正弦波振幅正規化要素であって、利得値量子化器４０９から乗算器４０６に提供された値である。前記ハーモニック構造で合成された信号は、減算器４０８に出力される。
【００９０】
減算器４０８は、入力される認知加重されたゼロ状態の高域音声信号で、前記認知加重された合成フィルタ４０７から提供されるハーモニック構造で合成された信号を減算して残差信号を得る。
【００９１】
減算器４０８で得られた残差信号は、開ループ探索過程と閉ループ探索過程とによりコードブックを探すために利用される。すなわち、減算器４０８から出力された残差信号は、開ループ探索のために第２認知加重された逆合成フィルタ４１０に入力される。第２認知加重された逆合成フィルタ４１０は、第２認知加重された逆合成フィルタ４１０のインパルス応答と、前記減算器４０８から出力された残差信号とを、式（１６）に定義されたようにコンボリューションして、２次の理想的な励起信号を生成する。
【００９２】
【数１６】
2006189836.tif 000018
【００９３】
式（１６）において、ｘ2は、減算器４０８から出力される残差信号であり、ｒsは、２次の励起信号である。
【００９４】
第２認知加重された逆合成フィルタ４１０から生成された２次の理想的な励起信号は、開ループストキャスティックコードブック探索器４１１に出力される。開ループストキャスティックコードブック探索器４１１は、２次の理想的な励起信号を目的信号として、ストキャスティックコードブックを複数備えたストキャスティックコードブック部（図示はしない）から複数のストキャスティックコードブック候補を選択する。開ループストキャスティックコードブック探索器４１１で探索されたストキャスティックコードブック候補は、閉ループストキャスティックコードブック探索器４１２に伝送される。
【００９５】
閉ループストキャスティックコードブック探索器４１２は、認知加重された合成フィルタのインパルス応答と、開ループストキャスティックコードブック探索器４１１により探索されたストキャスティックコードブック候補とをコンボリューションして、音声レベル信号を生成する。生成された音声レベル信号ｙ2と減算器４０８から提供される残差信号ｘ2との間の利得値ｇsを、式（１７）により求める。
【００９６】
【数１７】
2006189836.tif 000019
【００９７】
続いて、閉ループストキャスティックコードブック探索器４１２は、音声レベル信号ｙ2に前記利得値ｇsを乗算した信号と残差信号ｘ2とを利用して、式（１８）のように平均二乗エラーＥmseを求める。
【００９８】
【数１８】
2006189836.tif 000020
【００９９】
そして、開ループストキャスティックコードブック探索器４１１で探索されたストキャスティックコードブック候補で、前記平均二乗エラーＥmseが最小となる１つのストキャスティックコードブック候補が選択される。選択されたストキャスティックコードブック候補に該当する利得値は、利得値量子化器４０９に伝送されて量子化される。また、選択されたストキャスティックコードブック候補に対するインデックスを、ストキャスティックコードブックインデックスとして出力する。出力されたストキャスティックコードブックインデックスは、チャンネル２１０に伝送される。
【０１００】
利得値量子化器４０９は、正弦波振幅量子化器４０３から伝送される正弦波振幅正規化要素と、閉ループストキャスティックコードブック探索器４１２から伝送されるストキャスティックコードブック利得値とを２次元的にベクトル量子化し、量子化された正弦波振幅正規化要素を、乗算器４０６に出力する。量子化されたストキャスティックコードブック利得値は、チャンネル２１０に伝送される。この量子化されたストキャスティックコードブック利得値は、利得値インデックスとして使用される。
【０１０１】
一方、図３の第２符号化部３０９は、ストキャスティック構造でスイッチ３０７を介して伝送される認知加重されたゼロ状態の高域音声信号に励起信号を合成するものである。したがって、第２符号化部３０９は、励起信号合成部として定義されうる。
【０１０２】
第２符号化部３０９は、図６に示すように構成されうる。図６に示すように、第２符号化部３０９は、認知加重された逆合成フィルタ６０１、ストキャスティックコードブック候補探索器６０２、ストキャスティックコードブック部６０３、乗算器６０４、認知加重された合成フィルタ６０５、減算器６０６、最適のストキャスティックコードブック探索器６０７、及び利得値量子化器６０８を備える。
【０１０３】
認知加重された逆合成フィルタ６０１は、入力される認知加重されたゼロ状態の高域音声信号ｘ（ｉ）と、認知加重された逆合成フィルタ６０１のインパルス応答ｈ’（ｎ）とを、式（１９）のようにコンボリューションして、理想的な励起信号ｒsを生成するものである。
【０１０４】
【数１９】
2006189836.tif 000021
【０１０５】
ストキャスティックコードブック候補探索器６０２は、認知加重された逆合成フィルタ６０１で生成された理想的な励起信号ｒsが入力された場合に、理想的な励起信号ｒs（ｎ）とストキャスティックコードブック部６０３に存在するあらゆるストキャスティックコードブックとを対象として、相互相関性ｃ（ｉ）を式（２０）に基づいて求めて、相互相関性の大きなストキャスティックコードブック候補を選択する。
【０１０６】
【数２０】
2006189836.tif 000022
【０１０７】
式（２０）において、ｒi’（ｎ）は、ストキャスティックコードブック部６０３に含まれているｉ番目のストキャスティックコードブックである。
【０１０８】
ストキャスティックコードブック部６０３は、複数のストキャスティックコードブックを備え得る。
【０１０９】
乗算器６０４は、選択されたストキャスティックコードブック候補が、ストキャスティックコードブック部６０３から出力された場合に、選択されたストキャスティックコードブック候補に利得値を乗算して出力する。この利得値は、最適のストキャスティックコードブック探索器６０７から提供される。
【０１１０】
認知加重された合成フィルタ６０５は、利得値が乗算されたストキャスティックコードブック候補と、インパルス応答ｈi（ｎ−ｊ）とを、式（２１）のようにコンボリューションする。
【０１１１】
【数２１】
2006189836.tif 000023
【０１１２】
式（２１）において、ｇiは、利得値であって、最適のストキャスティックコードブック探索器６０７から乗算器６０４に提供されたものである。認知加重された合成フィルタ６０５は、前記ストキャスティックコードブック候補と、インパルス応答ｈi（ｎ−ｊ）とをコンボリューションして得た合成された信号を出力する。
【０１１３】
減算器６０６は、認知加重された合成フィルタ６０５からの合成された信号と認知加重されたゼロ状態の高域音声信号との差を示す信号（差信号）を、最適のストキャスティックコードブック探索器６０７に出力する。
【０１１４】
最適のストキャスティックコードブック探索器６０７は、減算器６０６から提供される差信号に基づいてストキャスティックコードブック候補探索器６０２により探索されたストキャスティックコードブック候補のうち、最適のストキャスティックコードブックを探索する。
【０１１５】
すなわち、最適のストキャスティックコードブック探索器６０７は、減算器６０６から提供される差信号が最も小さなストキャスティックコードブック候補を最適のストキャスティックコードブックとして選択する。選択されたストキャスティックコードブックは、最適の励起信号となる。最適のストキャスティックコードブック探索器６０７で最適のストキャスティックコードブックとして選択されたストキャスティックコードブックに該当する利得値は、利得値量子化器６０８と乗算器６０４とに提供される。
【０１１６】
また、最適のストキャスティックコードブック探索器６０７は、最適のストキャスティックコードブックが選択されれば、選択されたストキャスティックコードブックのインデックス（ストキャスティックコードブックインデックス）をチャンネル２１０に出力する。
【０１１７】
利得値量子化器６０８は、入力された利得値を量子化し、この量子化された利得値を利得値インデックスとして出力する。出力された利得値インデックスは、チャンネル２１０に出力される。
【０１１８】
高域音声符号化装置２０２は、符号化された音声信号を復元するために必要な復元情報である、ＬＰＣインデックス、第１符号化部３０８から出力される利得値インデックス、正弦波辞書のサイズインデックス、正弦波辞書の位相インデックス、及びストキャスティックコードブックインデックスと、第２符号化部３０９から出力されるストキャスティックコードブックインデックス及び利得値インデックスとをマルチプレクシングしてチャンネル２１０に送出する機能を含みうる。
【０１１９】
低域音声符号化装置２０３は、標準狭帯域音声信号圧縮器を利用して入力される低域音声信号を符号化する。前記標準狭帯域音声信号圧縮器は、０.３〜４ｋＨｚ帯域の低域の音声信号を圧縮しつつ、前記低域音声信号のピッチ値ｔpを求めるように構成される。低域音声符号化装置２０３から出力される信号は、チャンネル２１０に伝送される。
【０１２０】
チャンネル２１０は、高域音声符号化装置２０２と低域音声符号化装置２０３とからそれぞれ出力される前記した復元情報を、対応する音声復号化装置２２０に伝送するものである。チャンネルは、前記高域音声符号化装置２０２と低域音声符号化装置２０３とから出力される復元情報をパケットの形態で伝送できる。
【０１２１】
音声復号化装置２２０は、図２に示すように、高域音声復号化装置２２１、低域音声復号化装置２２２及び帯域結合部２２３を備える。
【０１２２】
高域音声復号化装置２２１は、チャンネル２１０を介して伝送される復元情報に基づいて、復元された高域音声信号を出力する。このために、高域音声復号化装置２２１は、図７に示すように構成される。
【０１２３】
図７に示すように、高域音声復号化装置２２１は、第１復元ユニット７００、ＬＰＣ逆量子化部７１０、第２復元ユニット７２０、及びスイッチ７３０を備える。
【０１２４】
第１復元ユニット７００は、ハーモニック構造とストキャスティック構造とを結合した構造で、チャンネル２１０を介して受信された復元情報から高域音声信号を復元する。したがって、第１復元ユニット７００は、チャンネル２１０を介して受信されたモード選択情報が、ハーモニック構造とストキャスティック構造とを結合したモードを表す場合に、動作する。このハーモニック構造とストキャスティック構造とを結合したモード選択情報とは、高域音声信号と低域音声信号とが何れもハーモニック成分である場合の信号である。
【０１２５】
第１復元ユニット７００は、利得値逆量子化部７０１、正弦波振幅復号化部７０２、正弦波位相復号化部７０３、ストキャスティックコードブック部７０４、乗算器７０５、７０７、ハーモニック信号復元部７０６、加算器７０８、及び合成フィルタ７０９を備える。
【０１２６】
利得値逆量子化部７０１は、利得値インデックスが入力された場合に、入力された利得値インデックスを逆量子化して、量子化された正弦波振幅正規化要素を出力する。
【０１２７】
正弦波振幅復号化部７０２は、正弦波辞書のサイズインデックスが入力されれば、ＩＭＤＣＴ過程により、この正弦波辞書のサイズインデックスに対する量子化された正弦波辞書のサイズを求め、この量子化された正弦波辞書のサイズを復元すると共に、この量子化された正弦波辞書のサイズと、この復元された正弦波辞書のサイズとを加算して、量子化された正弦波辞書のサイズを検出して出力するものである。
【０１２８】
正弦波位相復号化部７０３は、正弦波辞書の位相インデックスが入力された場合に、前記入力された正弦波辞書の位相インデックスに対応する、量子化された正弦波辞書の位相を出力する。
【０１２９】
ストキャスティックコードブック部７０４は、ストキャスティックコードブックインデックスが入力された場合に、このストキャスティックコードブックインデックスに対応するストキャスティックコードブックを出力する。このストキャスティックコードブック部７０４は、複数のストキャスティックコードブックを備えうる。
【０１３０】
乗算器７０５は、利得値逆量子化部７０１から出力される量子化された正弦波振幅正規化要素と、正弦波振幅復号化部７０２から出力される量子化された正弦波辞書のサイズとを乗算して出力する。
【０１３１】
ハーモニック信号復元部７０６は、乗算器７０５から出力される量子化された正弦波振幅正規化要素が乗算された、量子化された正弦波辞書のサイズベクトルと、量子化された正弦波辞書の位相ベクトルとを使用して、式（１４）に基づいてハーモニック信号を復元する。復元されたハーモニック信号は、加算器７０８に出力される。
【０１３２】
乗算器７０７は、利得値逆量子化部７０１から出力される量子化されたストキャスティックコードブック利得値と、ストキャスティックコードブック部７０４から出力されるストキャスティックコードブックとを乗算して、励起信号を生成する。
【０１３３】
加算器７０８は、ハーモニック信号復元部７０６ら出力されるハーモニック信号と、乗算器７０７から出力される励起信号とを加算して出力する。
【０１３４】
合成フィルタ７０９は、ＬＰＣ逆量子化部７１０から提供される逆量子化されたＬＰＣを利用して、加算器７０８から出力される信号を合成フィルタリングすることにより、復元された高域音声信号を出力する。復元された高域音声信号は、スイッチ７３０に伝送される。
【０１３５】
ＬＰＣ逆量子化部７１０は、ＬＰＣインデックスが入力された場合に、入力されたＬＰＣインデックスに対応する、量子化されたＬＰＣを出力する。出力された量子化されたＬＰＣは、合成フィルタ７０９と後記する合成フィルタ７２４とに提供される。
【０１３６】
第２復元ユニット７２０は、ストキャスティック構造でチャンネル２１０を介して受信された、復元情報から復元された高域音声信号を生成するものである。したがって、第２復元ユニット７２０は、チャンネル２１０を介して受信されたモード選択情報がストキャスティック構造モードを表す場合に動作する。このモード選択情報がストキャスティック構造モードを表す場合とは、高域音声信号と低域音声信号とのうち、少なくとも１つの音声信号にハーモニック成分がない場合である。
【０１３７】
第２復元ユニット７２０は、ストキャスティックコードブック部７２１、利得値逆量子化部７２２、乗算器７２３及び合成フィルタ７２４を備える。
【０１３８】
ストキャスティックコードブック部７２１は、ストキャスティックコードブックインデックスが入力された場合に、該当するストキャスティックコードブックを出力する。このストキャスティックコードブック部７２１は、複数のストキャスティックコードブックを備え得る。
【０１３９】
利得値逆量子化部７２２は、利得値インデックスが入力された場合に、該当する量子化された利得値を出力する。
【０１４０】
乗算器７２３は、ストキャスティックコードブックに、量子化された利得値を乗算して出力する。
【０１４１】
合成フィルタ７２４は、ＬＰＣ逆量子化部７１０から提供される量子化されたＬＰＣを利用して、利得値が乗算されたストキャスティックコードブックを合成フィルタリングすることにより、復元された高域音声信号を出力する。復元された高域音声信号は、スイッチ７３０に出力される。
【０１４２】
スイッチ７３０は、受信されるモード選択情報により、第１復元ユニット７００と第２復元ユニット７２０とからそれぞれ出力される復元された高域音声信号を選択的に伝送する。すなわち、モード選択情報が、ハーモニック構造とストキャスティック構造とを結合した構造を表せば、第１復元ユニット７００から出力される復元された高域音声信号を、復元された高域音声信号として出力する。一方、モード選択情報が、ストキャスティック構造を表せば、第２復元ユニット７２０から出力される復元された高域音声信号を、復元された高域音声信号として出力する。
【０１４３】
高域音声復号化装置２２１は、チャンネル２１０から受信された復元情報をデマルチプレクシングして、該当するモジュールに伝送するためのデマルチプレクサを更に備え得る。
【０１４４】
低域音声復号化装置２２２は、チャンネル２１０を介して受信された低域音声信号に対する復元情報を利用して低域音声信号を復元するものである。この低域音声復号化装置２２２は、低域音声符号化装置２０３と対応する構造を有する。
【０１４５】
帯域結合部２２３は、高域音声復号化装置２２１から出力される復元された高域音声信号と、低域音声復号化装置２２２から出力される復元された低域音声信号とを結合して、復元された音声信号を出力する。
【０１４６】
図８は、本発明に係る高域音声の符号化方法の動作フローチャートである。
高域音声符号化装置２０２は、入力される音声信号が、高域音声信号と低域音声信号とに分割された場合に、分割された高域音声信号に対する認知加重されたゼロ状態の高域音声信号を生成する（８０１）。すなわち、図３を参照して説明したように、入力される高域音声信号に対してＬＰＣ分析して検出されたＬＰＣと、認知加重フィルタ３０４とを利用して、認知加重されたゼロ状態の高域音声信号を生成する。
【０１４７】
そして、高域音声符号化装置２０２は、生成された認知加重されたゼロ状態の高域音声信号、及び、この高域音声信号に対応する低域音声信号にハーモニック成分があるか否かを判断する（８０２）。判断方法は、図３のモード選択部３０６の説明で説明したように、サブフレーム単位で４つの特性値を検出し、事前に設定された各特性値に対する閾値と検出された特性値とを比較するものである。その結果が、設定された条件を満足する場合に、各音声信号にハーモニック成分があると判断されることとなる。
【０１４８】
そして、高域音声符号化装置２０２は、認知加重されたゼロ状態の高域音声信号、及び、対応する低域音声信号にハーモニック成分があると判断した場合に、前記ゼロ状態の高域音声信号を、図４を参照して説明したように、ハーモニック構造とストキャスティック構造とを結合した構造で、ゼロ状態の高域音声信号を符号化する（８０３、８０４）。
【０１４９】
しかし、ゼロ状態の高域音声信号と対応する低域音声信号のうち、いずれか１つの信号でもハーモニック成分がない場合には、図６に示したように、ストキャスティック構造で前記ゼロ状態の高域音声信号を符号化する（８０５）。
【０１５０】
前記のように符号化された高域音声信号に対する復元情報は、チャンネル２１０を介して音声復号化装置（または広域音声復号化システム）２２０に送出される。この時、符号化された低域音声信号に対する復元情報も共に、音声復号化装置（または広域音声復号化システム）２２０に伝送できる。
【０１５１】
図９は、本発明に係る高域音声の復号化方法の動作フローチャートである。
高域音声復号化装置２２１は、チャンネル２１０を介して受信された高域音声信号に対する復元情報に、高域音声信号に対するモード選択情報が含まれている場合に、前記モード選択情報を分析する（９０１）。
【０１５２】
そして、高域音声復号化装置２２１は、モード選択情報を分析した結果、モード選択情報が、ハーモニック構造とストキャスティック構造とを結合したモードを表す場合に、図７に示す第１復元ユニット７００のように、ハーモニック構造とストキャスティック構造とを結合した構造に基づいて高域音声信号を復元する（９０２、９０３）。
【０１５３】
しかし、モード選択情報を分析した結果、モード選択情報が、ストキャスティック構造モードを表す場合に、高域音声復号化装置２２１は、図７に示す第２復元ユニット７２０のように、ストキャスティック構造に基づいて高域音声信号を復元する（９０２、９０４）。
【０１５４】
本発明に係る高域音声の符号化方法及び高域音声の復号化方法をコンピュータに実行させるためのプログラムは、コンピュータで読み取り可能な記録媒体にコンピュータで読み取り可能なコードとして具現することが可能である。コンピュータで読み取り可能な記録媒体は、コンピュータシステムによって読み取られ得るデータが保存されるあらゆる種類の記録装置を含む。コンピュータで読み取り可能な記録媒体の例としては、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＣＤ−ＲＯＭ、磁気テープ、フレキシブルディスク、光データ記録装置などがあり、また、キャリアウェーブ（例えば、インターネットを介した伝送）の形態で具現されるものも含む。
【０１５５】
また、コンピュータで読み取り可能な記録媒体は、ネットワークに連結されたコンピュータシステムに分散されて、分散方式でコンピュータで読み取り可能なコードが保存されて実行されうる。そして、高域音声の符号化方法及び高域音声の復号化方法を具現するための機能的なプログラム、コード及びコードセグメントは、本発明が属する技術分野のプログラマにより容易に推論されうる。
【０１５６】
以上、本発明についてその好ましい実施形態を中心に説明した。当業者は、本発明が本発明の本質的な特性から逸脱しない範囲で変形された形態で具現されうるということを理解できる。したがって、開示された実施形態は、限定的な観点ではなく、説明的な観点から考慮されねばならない。本発明の範囲は、前記の説明ではなく、特許請求の範囲に示されており、それと同等な範囲内にあるあらゆる差異点は、本発明に含まれたものと解釈されねばならない。
【産業上の利用可能性】
【０１５７】
本発明は、音声符号化装置及び音声復号化装置に関連した技術分野に好適に適用されうる。
【図面の簡単な説明】
【０１５８】
【図１】従来の高域音声符号化装置及び高域音声復号化装置の機能ブロック図である。
【図２】本発明の好ましい実施形態に係る高域音声符号化装置及び高域音声復号化装置を有する広域音声符号化及び復号化システムの全体構成図である。
【図３】図２に示す高域音声符号化装置の機能ブロック図である。
【図４】図３に示す第１符号化部の詳細ブロック図である。
【図５】図４に示す正弦波振幅量子化器の詳細ブロック図である。
【図６】図３に示す第２符号化部の詳細ブロック図である。
【図７】図２に示す高域音声復号化装置の機能ブロック図である。
【図８】本発明の好ましい実施形態に係る高域音声符号化装置による高域音声の符号化方法の動作を示すフローチャートである。
【図９】本発明の好ましい実施形態に係る高域音声復号化装置による高域音声の復号化方法の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【０１５９】
１００  高域音声符号化装置
１０１  ＭＬＴユニット
１０２  ２Ｄ−ＤＣＴモジュール
１０３  符号量子化器
１０４  ＤＣＴ係数量子化器
１１０  高域音声復号化装置
２００  音声符号化装置（広域音声符号化システム）
２０１  帯域分割部
２０２  高域音声符号化装置
２０３  低域音声符号化装置
２１０  チャンネル
２２０  音声復号化装置（広域音声復号化システム）
２２１  高域音声復号化装置
２２２  低域音声復号化装置
２２３  帯域結合部
３００  高域音声信号生成部（生成部）
３０１  ６次ＬＰＣ分析部（線形予測係数分析部）
３０２  ＬＰＣ量子化部（量子化部）
３０３  認知加重された合成フィルタ（合成フィルタ）
３０４  認知加重フィルタ
３０５  減算器
３０６  モード選択部
３０７  スイッチ
３０８  第１符号化部
３０９  第２符号化部
４０１  第１認知加重された逆合成フィルタ（逆合成フィルタ）
４０２  正弦波辞書の振幅及び位相探索器（探索器）
４０３  正弦波振幅量子化器（第１量子化器）
４０４  正弦波位相量子化器（第２量子化器）
４０５  合成音声信号生成器（励起信号生成器）
４０６  乗算器
４０７  認知加重された合成フィルタ（合成フィルタ）
４０８  減算器
４０９  利得値量子化器（第３量子化器）
４１０  第２認知加重された逆合成フィルタ（逆合成フィルタ）
４１１  開ループスキャトスティックコードブック探索器
４１２  閉ループスキャトスティックコードブック探索器
５０１  正弦波振幅正規化器（正規化器）
５０２  ＭＤＣＴ器
５０３  係数ベクトル量子化器
５０４  ＩＭＤＣＴ器
５０５  減算器
５０６  残差振幅量子化器（残差サイズ量子化器）
５０７  加算器
５０８  最適ベクトル選択部
６０１  認知加重された逆合成フィルタ（逆合成フィルタ）
６０２  スキャトスティックコードブック候補探索器（第１探索器）
６０３  スキャトスティックコードブック部
６０４  乗算器
６０５  認知加重された合成フィルタ（合成フィルタ）
６０６  減算器
６０７  最適スキャトスティックコードブック探索器（第２探索器）
６０８  利得値量子化器
７００  第１復元ユニット
７０１  利得値逆量子化部
７０２  正弦波振幅復号化部
７０３  正弦波位相復号化部
７０４  スキャトスティックコードブック部
７０５  乗算器（第１乗算器）
７０６  ハーモニック信号復元部
７０７  乗算器（第２乗算器）
７０８  加算器
７０９  合成フィルタ
７１０  ＬＰＣ逆量子化部（線形予測係数逆量子化部）
７２０  第２復元ユニット
７２１  スキャトスティックコードブック部
７２２  利得値逆量子化部
７２３  乗算器
７２４  合成フィルタ
７３０  スイッチ
【図１】
2006189836.tif 000024
【図２】
2006189836.tif 000025
【図３】
2006189836.tif 000026
【図４】
2006189836.tif 000027
【図５】
2006189836.tif 000028
【図６】
2006189836.tif 000029
【図７】
2006189836.tif 000030
【図８】
2006189836.tif 000031
【図９】
2006189836.tif 000032